Электро-механическое сопряжение в сердечной мышце

 

 

Вход внеклеточного Са²⁺ запускает освобождение Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума, инициируя, тем самым, сокращение кардиомиоцитов. Длительность мышечного сокращения определяется временем, в течение которого концентрация Са²⁺ остается повышенной. Механизм, с помощью которого процесс возбуждения преобразуется в процесс увеличения [Са]_i, назвали электромеханическим сопряжением.

Деполяризация плазматической мембраны кардиомиоцитов желудочков распространяется по Т-трубочкам, расположенным поперек продольной оси миоцитов. В кардиомиоцитах есть также аксиальные Т-трубочки, расположенные параллельно продольной оси и соединяющие поперечные трубочки между собой. T-трубочки имеют четкую организацию и проникают в мышцу в каждом саркомере в двух местах - там, где соединяются А и I полоски. Каждая Т-трубочка соединена с двумя цистернами саркоплазматического ретикулума. Саркоплазматический ретикулум - это органелла, которая содержит запасы внутриклеточного Са²⁺. Т-трубочка вместе с двумя цистернами называется триадой, и эта система играет решающую роль в сопряжении процессов возбуждения и сокращения в сердечной мышце. Деполяризация мембраны Т-трубочки вызывает освобождение Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума.

Потенциал действия, возникая вследствие деполяризации, распространяется по мембране Т-трубочки. Деполяризация мембраны Т-трубочки активирует L-тип Са²⁺-каналов (L-происходит от long duration – т.е. каналы имеющие медленную кинетику работы), которые организованы в кластеры из четырех каналов, поэтому их называют тетрадами (рис. 2.15.). Эти потенциал-зависимые каналы играют главную роль в сопряжении электрического возбуждения и сокращения, так как являются сенсорами потенциала. Каждый из четырех Са²⁺-каналов в тетраде называют дигидропиридиновыми рецепторами (DHP), так как они чувствительны к дигидропиридинам (digydropyridines), относящимися к классу антигипертензивных препаратов. Деполяризация мембраны Т-трубочек приводит к конформационным изменениям каждого из четырех Са²⁺-каналов L-типа, что вызывает два эффекта. Во-первых, через четыре канальные поры в саркоплазму входит Са²⁺. Во-вторых, что гораздо более важно, конформационные изменения в каждой из четырех субъединиц другого канала - Са²⁺-освобождающего канала в мембране саркоплазматического ретикулума. Са²⁺-освобождающий канал саркоплазматического ретикулума имеет гомотетрамерную структуру, отличающуюся от таковой L-типа Са²⁺-канала. Са²⁺-освобождающий канал саркоплазматического ретикулума известен еще как рианодиновый рецептор, т.к. он чувствителен к рианодину и кофеину, которые принадлежат к классу растительных алкалоидов.

По мере того, как L-тип Са²⁺-канала мембраны Т-трубочки открывает Са²⁺-освобождающий канал мембраны саркоплазматического ретикулума, запасенные в нем ионы Са²⁺ покидают цистерны саркоплазматического ретикулума, что приводит к быстрому увеличению [Са²⁺]_i. Ионы Са²⁺ активируют тропонин С и инициируют цикл образования поперечных мостиков. Таким образом, процесс электро-механического сопряжения охватывает период от деполяризации Т-трубочек до начала цикла образования поперечных мостиков.

 

 

 

Рис. 2. 12. Структура тонких и толстых филаментов

 

Рис. 2.13. Роль Са ²⁺ в запуске сокращения мышцы

В сердечной мышце вход Са²⁺ через L-тип Са²⁺-каналов является крайне важным для увеличения [Ca²⁺]_i в непосредственной близости от рианодиновых рецепторов саркоплазматического ретикулума. Этот триггерный Са²⁺ активирует соседние кластеры рианодиновых рецепторов и побуждает их к еще большему освобождению Са²⁺ в цитоплазму (так называемое вызванное Са²⁺ освобождение Са²⁺). Поэтому, если сердце поместить в бескальциевый раствор, оно сразу прекратит сокращаться. Отдельный эпизод Са²⁺-вызванного освобождения Са²⁺ обеспечивает значительное, но локальное увеличение [Са²⁺]_i, так называемый Са²⁺ спарк (spark - вспышка). Его можно увидеть под конфокальным микроскопом при добавлении Са²⁺-чувствительного красителя. При одновременном открытии большого количества L-типа Са²⁺-каналов в сердечной мышце возникает множество Са²⁺ спарков, что приводит к глобальному увеличению [Са²⁺]_i.

Рис. 2.14. Схема движения ионов кальция при электро-механическом сопряжении в сердечной мышце. Потенциал действия запускает поступление кальция из внеклеточной среды, затем Са²⁺ вызывает освобождение Са²⁺ из внутриклеточного депо - саркоплазматического ретикулума. Свободный кальций саркоплазмы активирует сокращение миофиламентов (систола). Расслабление (диастола) наступает в результате захвата Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум, вытеснения внутриклеточного кальция Na⁺/Са²⁺-обменником и Са²⁺ насосом сарколеммы.

 

2.4.2. Механизм сокращения сердечной мышцы

 

 

В сердечной мышце сокращение запускается увеличением внутриклеточной концентрации Са²⁺ - [Са²⁺]_i, что позволяет поддерживать циклический процесс образования поперечных мостиков. При возбуждении концентрация Са²⁺ в саркоплазме может повышаться от 10^-7 М (уровень в покое) до 10^-5 М.

 

 

Рис. 2.15. Электро-механическое сопряжение в скелетной мышце

Затем концентрация Са²⁺ начинает снижаться, что является сигналом к прекращению цикла образования поперечных мостиков и мышца начинает расслабляться

Необходимо подчеркнуть, что Са²⁺ управляет сокращением через регуляторные белки, а не через прямое взаимодействие с сократительными белками. В отсутствие Са²⁺ эти регуляторные белки блокируют взаимодействие актина и миозина и тормозят сокращение. Связывание Са²⁺ с этими белками приводит к конформационным изменениям регуляторного комплекса белков, которые устраняют их блокирующее действие.

Сократительные белки превращают энергию гидролиза АТФ в механическую энергию. Процесс циклического образования поперечных мостиков (рис. 2.16.) можно разделить на 5 этапов. Вначале головка миозина прикрепляется к нити актина за счет выделения кинетической энергии от предыдущего цикла и после того, как актомиозиновый комплекс освободит аденозиндифосфат (АДФ). В отсутствие АТФ система будет находиться в “ригидном” состоянии неопределенно долго. В стадии ригидности головка миозина располагается под углом 45^о по отношению к нитям актина и миозина.

Рис. 2.16. Цикл образования поперечных мостиков в сердечной мышце.

Этап 1. Связывание АТФ. Связывание АТФ с тяжелой цепью головки миозина уменьшает сродство миозина к актину, что вызывает отсоединение миозина от нити актина. Если все поперечные мостики в мышце находятся в таком состоянии - мышца полностью расслаблена.

Этап 2. Гидролиз АТФ. Расщепление АТФ на АДФ и неорганический фосфат (Ф) происходит в головке миозина, продукты гидролиза остаются в миозине. В результате гидролиза головка миозина “распрямляется”, т.е. располагается перпендикулярно или под углом 90⁰ относительно толстых и тонких нитей. Это движение приводит к тому, что кончик нити миозина продвигается на 11 нм вдоль нити актина и головка миозина оказывается против нового мономера актина. Если все поперечные мостики находятся в таком состоянии - мышца расслаблена.

Этап 3. Образование поперечного мостика. Выпрямленная головка миозина вновь связывается уже с другим фрагментом нити актина. Это связывание объясняется повышением сродства комплекса миозин-АДФ-фосфат к актину.

Этап 4. Отсоединение неорганического фосфата от миозина. Отсоединение фосфата от головки миозина обеспечивает конформационное изменение головки, в результате которого головка миозина изгибается под углом 45⁰ и проталкивает нить актина на расстояние 11 нм в направлении к хвостовой части нити миозина. Таким образом, нить актина продвигается вдоль миозина, вызывая укорочение мышцы.

Этап 5. Диссоциация АДФ. Отсоединение АДФ от миозина завершает цикл и актомиозиновый комплекс приходит в ригидное состояние. Головка миозина остается в положении под углом 45⁰ по отношению к толстым и тонким филаментам. Без АДФ миозиновый комплекс остается связанным с актином до тех пор, пока не присоединит другую молекулу АТФ.

На каждый цикл образования поперечного мостика расходуется одна молекула АТФ. Следовательно, мышца должна ресинтезировать АТФ из АДФ по мере расходования АТФ. Наиболее доступный источник для ресинтеза АТФ - это фосфокреатин и гликоген. Сердечная мышца практически не отдыхает, поэтому в кардиомиоцитах очень большая плотность митохондрий, что обеспечивает поддержание высокого уровня окислительного фосфорилирования (синтеза АТФ).

В результате циклического образования и разрушения поперечных мостиков тонкие нити скользят между толстыми и мышца укорачивается.

Расслабление сердечной мышцы, то есть расхождение сократительных белков, определяется тремя процессами: 1) выводом Са²⁺ во внеклеточную жидкость, 2) повторным захватом Са²⁺ из саркоплазмы в саркоплазматический ретикулум и 3) отщеплением Са²⁺ от комплекса Са²⁺/тропонин.

Выведение Са²⁺ во внеклеточную жидкость. Как и в большинстве других клеток, удаление Са²⁺ из кардиомиоцитов происходит двумя путями (рис. 2.14): 1) с помощью имеющегося в сарколемме Na⁺/Cа²⁺ обменника, который активируется при высоком уровне [Cа²⁺]_i и 2) с помощью Са²⁺ насоса поверхностной мембраны, который работает даже при низких уровнях [Cа²⁺]_i. Даже во время плато ПД из кардиомиоцитов выводится некоторое количество ионов Са²⁺. После возвращения мембранного потенциала к исходному, более негативному, уровню, процесс выведения Са²⁺ достигает своего высшего уровня и [Cа²⁺]_i уменьшается. При стабильном состоянии (например, после нескольких ПД) весь Са²⁺, поступающий в саркоплазму через L-тип Са²⁺-каналов, должен быть удален.

Обратный захват Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум. Даже во время плато ПД некоторое количество Са²⁺, накопившегося в цитоплазме, поступает в саркоплазматический ретикулум с помощью Са²⁺-насоса. Важным регулятором активности Са²⁺-насоса в сердечной мышце является фосфоламбан - интегральный белок мембраны саркоплазматического ретикулума, имеющий один трансмембранный сегмент. В мембранах саркоплазматического ретикулума сердечной, гладкомышечной и медленно сокращающейся скелетной мышцы фосфоламбан представляет собой пентамер, способный функционировать и как ионный канал и как регулятор Cа²⁺-каналов. Расщепление пентамера приводит к образованию мономеров фосфоламбана, гидрофильный цитоплазматический домен которых способен ингибировать Са²⁺-насос. Однако, фосфорилирование фосфоламбана любой из известных киназ устраняет ингибирующее действие фосфоламбана на Са²⁺-насос, что ускоряет поступление Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум. В конечном итоге, это приводит к увеличению скорости расслабления сердечной мышцы. Поэтому неудивительно, что у нокаутных мышей с дефицитом фосфоламбана, Са²⁺-насос не ингибируется и скорость расслабления мышцы увеличивается.

Фосфорилирование фосфоламбана протеинкиназой А хорошо объясняет тот факт, что агонисты b₁-адренергических рецепторов (например, адреналин, действующий через протеинкиназу А), ускоряют расслабление сердечной мышцы.

Удаление Са²⁺ от тропонина С. По мере того, как [Ca]_i падает, ионы Са²⁺ отщепляются от тропонина, что прекращает взаимодействие актина и миозина и мышца расслабляется. b₁-адренергические агонисты ускоряют расслабление посредством фосфорилирования тропонина I, что, в свою очередь, увеличивает скорость отщепления Са²⁺ от тропонина С.

Агенты, вызывающие положительные инотропные эффекты, повышают сократимость миокарда посредством увеличения [Ca ²⁺]_i. Вещества, непосредственно влияющие на сократимость миокарда, могут изменять динамику сокращения сердца независимо от пред- и пост-нагрузки (см. главу 3.2). Такие вещества или факторы обладают одной общей способностью - изменять концентрацию внутриклеточного кальция - [Cа²⁺]_i. Если какой-либо фактор увеличивает сократимость миокарда - его называют положительным инотропным агентом, если уменьшает сократимость - отрицательным инотропным агентом.

Агенты, вызывающие положительные инотропные эффекты. Факторы, которые усиливают сокращение миокарда посредством увеличения [Cа²⁺]_i, действуют двумя путями - либо открывают Са²⁺-каналы, блокируя Na-Са обмен, либо блокируют Са²⁺ насос плазматической мембраны.

1. Адренергические агонисты. Катехоламины (например, адреналин и норадреналин) действуют на b₁-адренорецепторы, активируя a-субъединицу G_s-типа гетеротримерного G-белка. Активирование a-субъединицы приводит к двум эффектам. Во-первых, увеличивается уровень циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и стимулируется протенкиназа А, что вызывает усиление сокращения и увеличение скорости расслабления миокарда (табл. 2.3.). Во-вторых, происходит открытие L-типа Са²⁺-каналов плазматической мембраны, т.е. увеличивается вход Са²⁺ во время прохождения ПД, увеличивается [Са²⁺ ]_i и сократимость усиливается.

2. Сердечные гликозиды. Производные дигиталиса способны ингибировать Na-K насос плазматической мембраны и, следовательно, повышать уровень внутриклеточного Na⁺ ([Na⁺]_i). В результате происходит замедление Na-Са обмена, повышение уровня [Са²⁺ ]_i и увеличение сократимости. Недавние исследования выявили новый механизм действия сердечных гликозидов - через увеличение проницаемости Na⁺-каналов плазматической мембраны для ионов Са^2+.

3. Высокая концентрация внеклеточного Са²⁺. Повышенная концентрация внеклеточного Са²⁺ [Са²⁺]_o увеличивает [Са²⁺]_i и, следовательно, усиливает сокращение миокарда, двумя путями. Во-первых, она снижает уровень обмена внеклеточного Na⁺ на внутриклеточный Са²⁺. Во-вторых, в этих условиях, при прохождении ПД, в кардиомиоциты поступает больше ионов Са²⁺ через L-тип Са²⁺-каналов.

4. Низкая концентрация внеклеточного Na⁺. Уменьшение градиента Na⁺ понижает уровень Na-Са обмена, что приводит к увеличению [Са²⁺]_i и, как следствие, к усилению сокращения миокарда.

5. Увеличенная частота сердцебиений. При повышении частоты сердечных сокращений, увеличиваются запасы Са²⁺ в саркоплазматическом ретикулуме, что приводит к увеличению [Ca]_i и к усилению сокращений.

Отрицательные инотропные агенты. Все факторы, которые уменьшают силу сокращения миокарда, снижают внутриклеточную концентрацию Са²⁺.

1. Блокаторы Са²⁺-каналов. Ингибиторы L-типа Са²⁺-каналов, такие как верапамил, дилтиазем и нифедипин - уменьшают количество Са²⁺, входящего в кардиомиоциты во время плато ПД. Таким образом, снижение [Са²⁺]_i приводит к ослаблению сокращения сердца.

2. Низкая концентрация внеклеточного Са²⁺. Снижение [Са²⁺]_о понижает, в свою очередь, [Са²⁺]_i с помощью двух механизмов - или увеличивая выведение Са²⁺ через Na-Са обменник, или уменьшая вход Са²⁺ через L-тип Са²⁺-каналов во время плато ПД.

3. Высокая концентрация внеклеточного Na⁺. Повышенное содержание внеклеточного Na⁺ ([Na⁺]_о) повышает уровень Na-Са обмена, понижая, тем самым, [Са²⁺]_i.

Насосная функция сердца

 

 

Основной физиологической функцией сердца является нагнетание крови в сосудистую систему. Деятельность сердца как насоса представляет собой непрерывное чередование периодов сокращения (систола) и расслабления (диастола) предсердий и желудочков, происходящих в определенной последовательности.

Сердечный цикл – это совокупность механических и электрических событий в сердце, повторяющихся при каждом сердцебиении. Длительность сердечного цикла – это величина, обратная ЧСС, и определяется по формуле:

 

60 с

Длительность (сек) = ________________

ЧСС уд/мин

 

Например, при средней частоте сердцебиений 75 ударов в минуту продолжительность сердечного цикла 0,8 с или 800 мс.